آزمایش هیدرومتری خاک چیست و چه کاربرد دارد؟

هیدرومتری به طور کلی به معنای اندازه‌گیری ویژگی‌های فیزیکی مایعات، به ویژه چگالی نسبی (وزن مخصوص) با استفاده از ابزاری به نام هیدرومتر است. هیدرومتر معمولاً یک لوله شیشه‌ای مدرج است که در مایع شناور می‌شود و میزان فرورفتن آن نشان‌دهنده چگالی مایع است.

با این حال، در زمینه آزمایش خاک، اصطلاح هیدرومتری به یک روش خاص آزمایشگاهی اطلاق می‌شود که برای تعیین توزیع اندازه ذرات بسیار ریزدانه خاک به کار می‌رود. این ذرات معمولاً از الک شماره ۲۰۰ (با قطر ۷۵ میکرومتر) عبور می‌کنند و شامل لای (Silt) و رس (Clay) می‌شوند.

بنابراین، کاربرد اصلی هیدرومتری در آزمایش خاک، تعیین درصد وزنی ذرات با اندازه‌های مختلف در بخش ریزدانه خاک است.

چرا از روش هیدرومتری برای ذرات ریزدانه استفاده می‌شود؟

روش‌های مکانیکی دانه بندی خاک مانند استفاده از الک‌ها برای ذرات درشت‌تر (مانند شن و ماسه) مناسب هستند. اما به دلیل کوچکی بیش از حد ذرات لای و رس و نیروی چسبندگی بین آن‌ها، تفکیک این ذرات با استفاده از الک‌های معمولی امکان‌پذیر نیست.

اساس کار آزمایش هیدرومتری خاک

اساس این آزمایش بر قانون استوکس (Stokes’ Law) استوار است. این قانون بیان می‌کند که سرعت ته نشین شدن یک ذره کروی در یک سیال (در اینجا مخلوط آب و خاک) به اندازه قطر و چگالی ذره بستگی دارد. ذرات بزرگتر و سنگین‌تر با سرعت بیشتری ته نشین می‌شوند، در حالی که ذرات کوچکتر و سبک‌تر با سرعت کمتری ته نشین می‌شوند و مدت زمان بیشتری در حالت معلق باقی می‌مانند.

در آزمایش هیدرومتری خاک، نمونه‌ای از خاک ریزدانه در آب مخلوط شده و به آن یک ماده پراکنده‌ساز اضافه می‌شود تا از چسبیدن ذرات به یکدیگر جلوگیری شود. سپس یک هیدرومتر با چگالی مشخص در این سوسپانسیون قرار داده می‌شود. با گذشت زمان، ذرات بزرگتر ته نشین می‌شوند و چگالی سوسپانسیون در عمق مشخصی کاهش می‌یابد. قرائت‌های هیدرومتر در فواصل زمانی مشخص، نشان‌دهنده چگالی سوسپانسیون در آن زمان است. با استفاده از قانون استوکس و این قرائت‌ها، می‌توان درصد وزنی ذرات با اندازه‌های مختلف را در نمونه خاک تعیین کرد.

به طور خلاصه، هیدرومتری در آزمایش خاک برای تعیین موارد زیر کاربرد دارد:

• تعیین درصد ذرات لای (Silt) و رس (Clay) در خاک.
• تکمیل منحنی دانه بندی خاک برای ذرات ریزتر از ۷۵ میکرومتر.
• ارائه اطلاعاتی در مورد خصوصیات فیزیکی خاک‌های ریزدانه که در طبقه‌بندی و ارزیابی رفتار مهندسی آن‌ها اهمیت دارد.

نتایج آزمایش هیدرومتری معمولاً به صورت یک منحنی دانه بندی ارائه می‌شود که درصد وزنی ذرات کوچکتر از یک اندازه معین را در برابر لگاریتم قطر ذرات نشان می‌دهد. این منحنی در کنار نتایج آزمایش الک، منحنی دانه بندی کامل خاک را تشکیل می‌دهد.

تحلیل نتایج آزمایش هیدرومتری خاک

در آزمایش هیدرومتری خاک، نتایج به صورت قرائت‌های هیدرومتر در زمان‌های مختلف و دمای سوسپانسیون خاک ثبت می‌شوند. برای مشاهده و تفسیر این نتایج، مراحل زیر انجام می‌شود:

۱. ثبت داده‌ها:

• زمان‌های قرائت: معمولاً قرائت‌ها در فواصل زمانی مشخص مانند ۰.۵، ۱، ۲، ۵، ۱۵، ۳۰، ۶۰، ۲۵۰ و ۱۴۴۰ دقیقه (۲۴ ساعت) انجام می‌شوند.
• قرائت هیدرومتر (R): در هر زمان، مقدار نشان داده شده روی هیدرومتر ثبت می‌شود. این مقدار مربوط به چگالی سوسپانسیون خاک در آن زمان است. بسته به نوع هیدرومتر (151H یا 152H)، واحد قرائت متفاوت خواهد بود (گرم در لیتر یا واحد چگالی).
• دمای سوسپانسیون (T): دمای مخلوط آب و خاک در هر زمان قرائت هیدرومتر ثبت می‌شود، زیرا دما بر ویسکوزیته آب و در نتیجه سرعت ته نشینی ذرات تأثیر می‌گذارد.
• قرائت شاهد (صفر زمان): قبل از شروع آزمایش و افزودن خاک، قرائت هیدرومتر در آب مقطر حاوی ماده پراکنده‌ساز ثبت می‌شود. این قرائت برای اعمال تصحیحات لازم استفاده می‌شود.

۲. اعمال تصحیحات:

نتایج خام قرائت هیدرومتر معمولاً نیاز به اعمال چند نوع تصحیح دارند تا دقت نتایج افزایش یابد:

• تصحیح منیسک (Meniscus Correction – Cm): به دلیل کشش سطحی آب، سطح مایع در اطراف میله هیدرومتر کمی بالا می‌آید یا پایین می‌رود (تشکیل منیسک می‌دهد). قرائت باید از بالای منیسک انجام شود و مقدار این تصحیح (که معمولاً مثبت است) به قرائت اضافه می‌شود.
• تصحیح پراکنده‌ساز (Deflocculating Agent Correction – Cd): افزودن ماده پراکنده‌ساز برای جلوگیری از چسبیدن ذرات به یکدیگر، چگالی آب را تغییر می‌دهد. قرائت شاهد (آب + پراکنده‌ساز) برای اعمال این تصحیح استفاده می‌شود. مقدار این تصحیح می‌تواند مثبت یا منفی باشد.
• تصحیح دما (Temperature Correction – Ct): قانون استوکس برای دمای استاندارد (معمولاً ۲۰ درجه سانتیگراد) تدوین شده است. اگر دمای آزمایش با دمای استاندارد متفاوت باشد، باید تصحیح دمایی اعمال شود. مقدار این تصحیح به جداول یا معادلات مربوطه بستگی دارد.

قرائت تصحیح شده هیدرومتر (Rc) به صورت زیر محاسبه می‌شود:

Rc = R + Cm + Cd + Ct

۳. محاسبات:

پس از اعمال تصحیحات، از قرائت‌های تصحیح شده برای محاسبه درصد ذرات کوچکتر از یک اندازه معین (در زمان قرائت) استفاده می‌شود. این محاسبات بر اساس قانون استوکس انجام می‌شوند و شامل موارد زیر هستند:

• قطر ذره (D): با استفاده از قانون استوکس، زمان سپری شده (t) و عمق مؤثر هیدرومتر (L)، قطر ذراتی که در آن زمان از عمق مؤثر عبور کرده‌اند، محاسبه می‌شود. فرمول قانون استوکس به شکل زیر است: D=KtL​​ که در آن K یک ضریب است که به ویسکوزیته آب و وزن مخصوص ذرات خاک بستگی دارد و با توجه به دما و نوع خاک تعیین می‌شود.
• درصد ذرات کوچکتر از قطر D (P): درصد ذرات کوچکتر از قطر D با استفاده از قرائت تصحیح شده هیدرومتر (Rc)، وزن خشک نمونه خاک (Ws) و سایر عوامل محاسبه می‌شود. فرمول کلی به شکل زیر است: P=WsRc×a​×۱۰۰ که در آن ‘a’ یک ضریب تصحیح برای وزن مخصوص خاک است.

۴. ترسیم منحنی دانه بندی:

در نهایت، نتایج آزمایش هیدرومتری به صورت یک منحنی دانه بندی ترسیم می‌شود. در این منحنی:

• محور افقی (لگاریتمی): قطر ذرات خاک (D) بر حسب میلی‌متر یا میکرومتر نمایش داده می‌شود. مقیاس این محور معمولاً لگاریتمی است تا طیف وسیعی از اندازه‌ها را پوشش دهد.
• محور عمودی (خطی): درصد ذرات کوچکتر از قطر مربوطه (P) بر حسب درصد نمایش داده می‌شود.

مشاهده نتایج در منحنی دانه بندی:

با ترسیم منحنی دانه بندی حاصل از آزمایش هیدرومتری (که معمولاً با نتایج آزمایش الک برای ذرات درشت‌تر ترکیب می‌شود)، می‌توان موارد زیر را مشاهده کرد:

• درصد رس (Clay): درصد ذرات کوچکتر از ۰.۰۰۲ میلی‌متر (۲ میکرومتر) از منحنی قابل خواندن است.
• درصد لای (Silt): درصد ذرات بین ۰.۰۰۲ تا ۰.۰۷۵ میلی‌متر (۲ تا ۷۵ میکرومتر) را می‌توان از منحنی تعیین کرد (با در نظر گرفتن درصد عبوری از الک شماره ۲۰۰).
• توزیع اندازه ذرات ریزدانه: شکل منحنی نشان‌دهنده توزیع اندازه‌های مختلف ذرات لای و رس در نمونه خاک است. منحنی‌های شیب‌دار نشان‌دهنده تنوع بیشتر در اندازه ذرات هستند، در حالی که منحنی‌های مسطح‌تر نشان‌دهنده غالب بودن یک یا چند اندازه خاص هستند.

تفسیر نتایج:

شکل و موقعیت منحنی دانه بندی حاصل از آزمایش هیدرومتری اطلاعات مهمی در مورد خصوصیات فیزیکی و رفتاری خاک‌های ریزدانه ارائه می‌دهد. این اطلاعات در زمینه‌های مختلف مهندسی عمران و کشاورزی برای طبقه‌بندی خاک، ارزیابی نفوذپذیری، تعیین پتانسیل تورم و انقباض، و پیش‌بینی رفتار خاک در شرایط مختلف بارگذاری و رطوبتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.